Методи розрахунку коефіцієнта інтенсивності напружень з врахуванням геометричної нелінійності та довільної форми тріщини

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorОриняк, Андрій Ігорович
dc.date.accessioned2021-09-15T09:38:10Z
dc.date.available2021-09-15T09:38:10Z
dc.date.issued2021
dc.description.abstractenThe dissertation is dedicated to the development of numerical and analytical methods for calculating the stress intensity factor (SIF) for nonclassical problems of fracture mechanics, in particular, for cracks of complex shape and for cracks in thin structures with taking into account geometric nonlinearity (GN) and their applications in various industries, in particular, for nuclear power plants, for calculation of the elements of the reactor unit. A modification of Williams's method is presented, which describes the stress state in the crack tip. For modification of the classical approach in the considered method the additional members were presented, which are infinite in the crack tip, but attenuate at infinity. The main idea of the method is to divide the whole area of the body into two separate parts – internal one, which embraces the tip of the crack, and the external one. In the inner area, only the classic Williams functions are used, and in the outer area both the classical members and additional ones are used. At the boundary between the selected subdomains, the conjugation conditions are to be fulfilled, the essence of which is to equalize here the stresses and displacements. The very high efficiency of this method is shown for bodies that have the shape of a circle, or are infinite, where almost exact values (up to 6-7 digits) are achieved when using no more than 12-16 members of the expansion. However, for a very elongated rectangular body the method gives much worse results, and the error can reach up to 2%. The practical significance of the proposed approach consists in the obtaining the simple and effective tool for testing the capabilities of commercial packages for calculating the parameters of fracture mechanics, which, as we know, do not always provide the correct results for case when load is applied on the crack surfaces. A thin-walled pipe with a long surface crack is considered. The pipe, surface of which may contain the initial deviation form ideal circle, is loaded by inner pressure. In first time the problem of determining the SIF was considered in a geometrically nonlinear formulation, when changes in the geometry of the body in the process of deformation are accounted for linear material behavior. Based on the Chen-Finnie method, which considers the crack as concentrated compliance, and on original solution for geometrically nonlinear behavior of curved initially distorted beam, the compact analytical formulas are obtained, which gives the value of SIF for each value of inner pressure. Comparison of the analytical results with those obtained by careful numerical FEM analysis, on the one hand, showed their good correspondence, and therefore the accuracy and efficiency of both the analytical and numerical procedures are confirmed. On the other hand, for the first time in the scientific literature, the value of SIF in a geometrically nonlinear formulation are obtained for surface cracks in slightly distorted cylindrical shell with surface long crack. It was shown that even for perfectly circular pipes having the cracks with depth up to half of the thickness of pipe walls, loaded by moderate level of inner pressure, the geometrical nonlinear values of SIF can be 10-15% less than those at linear approach application. This is very significant practical result. Another geometrically nonlinear problem is numerically investigated by known commercial FEM software for the through crack, which is loaded by a significant value of additional longitudinal force (the main factor of geometric nonlinearity considered) and small value of internal pressure (linear consideration). This statement distinguished this task from research conducted at NASA (USA), where the pressure and axial force were proportional as to pipe with closed ends. The geometric nonlinearity of the study is investigated through an incremental increase in loads and the corresponding recalculation of the SIF for the already taken into account changes in the deformed geometry (curvature). A number of tasks for determining the SIF for different pipe radii and dimensionless force values were calculated. Dimensionless parameters, which characterize the deviation of the values of SIF from the linear one, are numerically determined. Application of least square method allowed to suggest the simplified analytical formula for calculation of these deviations. These results are of great theoretical and practical importance. In particular, it is shown that for real pipes the neglecting by influence of axial force in usual approach may lead to 4-6% error of SIF determination. It is noted that additional account for large values of pressure, possible plastic deformations, may further reduce the actual values of SIF. Thus, the significance of the problems and the need for further research in this direction are shown. The necessity of analysis of flat cracks of non-canonical shape in three-dimensional bodies is noted. This is due to the fact that almost all existing solutions in the literature and reference results in normative documents are given for cracks that have shape of an ellipse or its part. However, real cracks detected by non-destructive testing are irregularly shaped cracks. Therefore, it is necessary to create the analytical methods that would allow to assess the impact of the crack shape, and to verify them with careful numerical procedures by FEM. For this purpose, flat internal cracks in infinite 3D body are considered. The formulation of problems for them is reduced to well-known integro-differential equation of the theory of elasticity. Note, that exact fundamental analytical solutions of which exist only for a circular crack and only for some simple laws of loading for an elliptic crack. A universal semi-analytical method for solving the integro-differential equation of the theory of elasticity for plane cracks of normal separation of arbitrary shape has been developed. It is proposed to consider the displacement of the crack edges as a product of a certain function of the crack shape, which satisfy to known asymptotic behavior of the displacement field near the crack front, and a certain polynomial series. As for the functions of the form, three variants of their choice were investigated - a) classical, which depends on the squares of ratio of radial coordinate of the considered point, and the corresponding coordinate of contour point; b) multiplicative, based on the product of equations describing the straight sections of the crack contour, and c) the original Oore-Burns function, which is an integral of the crack contour from the inverse square of the distance of the considered point to each point of the contour. The results showed that the greatest accuracy is achieved by application of hypersingular approach with Oore-Burns function of form. The verification of results was performed for elliptic crack, semielliptic inner crack, rectangular crack. The results were compared with numerical ones calculated by FEM. Practical calculations of SIF dependance with time for NPP reactor ant its elements for different scenarios of emergency situations are carried out. A number of simulation models with a built-in crack have been created, for which SIF calculations were performed by nonlinear FEM analysis. For cracks going through the cladding, where stress jumps occur, the method of influence functions is elaborated, and analytical-numerical procedure used piece-wise continuous basic laws of loading. Practical calculations were performed for the nozzle of reactor vessel, the cylindrical part of vessel, the core barrel and core baffle. These calculations were used to justify the extension of the service life of several units of Ukrainian NPPs.uk
dc.description.abstractruДиссертационная работа посвящена разработке численных и аналитических методов расчета коэффициента интенсивности напряжений, (КИН) для неклассических проблем механики разрушения, в частности, для трещин сложной формы и для трещин в тонкостенных конструкциях с учетом геометрической нелинейности, (ГН). Представлена модификация метода Вильямса, что учитывает затухающие на бесконечности члены. Исследованы границы и даны рекомендации о применении данного метода. Разработан аналитический метод расчета КИН в трубах с длинными осевыми поверхностными трещинами с учетом ГН в зависимости от внутреннего давления. Результаты хорошо коррелируют с полученными в роботе численными решениями МКЭ. Построены численные модели для расчета КИН и раскрытия берегов трещин в ГН постановке для сквозных трещин в зависимости от переменной величины осевой силы. Построена апроксимационная формула, что описывает влияние ГН эффекта для обобщенной осевой силы и безразмерной длины трещины. Показана значимость эффекта для реальных лабораторных экспериментов. Разработан универсальный полуаналитический метод решения интегро-дифференциального уравнения теории упругости для плоских трещин нормального отрыва произвольной формы. Для проверки аналитических результатов построены численные модели МКЭ для трещин разной формы, например, для прямоугольной, внутренней полуэллиптической трещины, и др., и проведено сопоставление результатов. Проведены практические расчеты КИН во времени для элементов конструкций АЭС для разных сценариев прохождения аварийных ситуаций. Для этого создан ряд имитационных моделей со встроенной трещиной, для которой расчеты КИН проводили методами нелинейной механики разрушения. Для трещин, что проходят через наплавленный материал, где происходят скачки напряжений, обосновано применение метода функций влияния, для чего разработано аналитико-численную процедуру, что использует частично непрерывные базовые законы нагружения.uk
dc.description.abstractukДисертаційна робота присвячена розробці чисельних і аналітичних методів розрахунку коефіцієнта інтенсивності напружень, (КІН) для некласичних проблем механіки руйнування, зокрема, для тріщин складної форми та для тріщин в тонкостінних конструкціях з врахуванням геометричної нелінійності, (ГН). Представлена модифікація методу Вільямса, що враховує затухаючі на нескінченності члени. Досліджено межі та надані рекомендації щодо застосування даного методу. Розроблено аналітичний метод розрахунку КІН в трубах з довгими осьовими поверхневими тріщинами з врахуванням ГН в залежності від внутрішнього тиску. Наведено результати верифікації величин КІН з отриманими в роботі чисельними розв’язками МСЕ. Побудовані чисельні моделі для розрахунку КІН та розкриття берегів тріщин в ГН постановці для наскрізних тріщин в залежності від змінної величини осьової сили. Побудована апроксимаційна формула, що описує вплив ГН ефекту для узагальненої осьової сили та безрозмірної довжини тріщини. Показана значимість ефекту для реальних лабораторних експериментів. Розроблено універсальний напіваналітичний метод розв’язку інтегро-диференційного рівняння теорії пружності для плоских тріщин нормального відриву довільної форми. Для перевірки аналітичних результатів побудовані чисельні моделі МСЕ для тріщин різної форми, наприклад, для прямокутної, внутрішньої півелітичної тріщини, тощо, та проведено співставлення результатів. Проведені практичні розрахунки КІН в часі для елементів конструкцій АЕС для різних сценаріїв протікання аварійних ситуацій. Створено ряд імітаційних моделей з вбудованою тріщиною, для якої розрахунки КІН проводилися методами нелінійної механіки руйнування. Для тріщин, що проходять через наплавлений матеріал, де відбувається стрибки напружень, обґрунтовано застосування методу функцій впливу, для чого розроблено аналітико-чисельну процедуру, що використовує частково неперервні базові закони навантаження.uk
dc.format.page27 с.uk
dc.identifier.citationОриняк, А. І. Методи розрахунку коефіцієнта інтенсивності напружень з врахуванням геометричної нелінійності та довільної форми тріщини : автореф. дис. … канд. техн. наук. : 05.02.09 – динаміка та міцність машин / Ориняк Андрій Ігорович. – Київ, 2021. – 27 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/43759
dc.language.isoukuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectвагові функціїuk
dc.subjectфункції Вільямсаuk
dc.subjectгеометрична нелінійністьuk
dc.subjectкоефіцієнт інтенсивності напруженьuk
dc.subjectтруба з тріщиноюuk
dc.subjectтріщина неканонічної формиuk
dc.subjectкрихка міцністьuk
dc.subjectкорпус реактораuk
dc.subjectвигородкаuk
dc.subjectпатрубокuk
dc.subjectweight functionsuk
dc.subjectWilliam’s functionuk
dc.subjectgeometric nonlinearityuk
dc.subjectstress intensity factoruk
dc.subjectcrack in pipeuk
dc.subjectnon-canonical crackuk
dc.subjectbrittle strengthuk
dc.subjectreactor pressure vesseluk
dc.subjectcore baffleuk
dc.subjectnozzleuk
dc.subjectвесовые функцииuk
dc.subjectфункции Вильямсаuk
dc.subjectгеометрическая нелинейностьuk
dc.subjectкоэффициент интенсивности напряженийuk
dc.subjectтруба с трещинойuk
dc.subjectтрещина неканонической формыuk
dc.subjectхрупкая прочностьuk
dc.subjectкорпус реактораuk
dc.subjectвыгородкаuk
dc.subjectпатрубокuk
dc.subject.udc539.4uk
dc.titleМетоди розрахунку коефіцієнта інтенсивності напружень з врахуванням геометричної нелінійності та довільної форми тріщиниuk
dc.typeThesisuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Oryniak_aref.pdf
Розмір:
3.54 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.01 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Автореферати (ДММОМ)
Автореферати (вільний доступ)